稅率下調(diào)，膜電極進口迎來春天

12月15日，財政部發(fā)布《國務院關稅稅則委員會關于2022年關稅調(diào)整方案的通知》（以下簡稱《通知》）。根據(jù)《通知》，2022年1月1日起，我國將對954項商品實施低于最惠國稅率的進口暫定稅率。其中，包含增壓器、循環(huán)泵、膜電極組件、雙極板、碳電極片等5種燃料電池關鍵零部件。

氫能觀察整理發(fā)現(xiàn)，2022年燃料電池用膜電極組件（主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成）暫定稅率為4%。

技術壁壘“拖累”膜電極發(fā)展

對于國內(nèi)燃料電池市場而言，膜電極來源還在依賴進口階段。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年2月，累計裝車使用的電堆中超過70%的膜電極來自進口。其原因主要來自于其高難度的技術壁壘和較長的產(chǎn)業(yè)周期，此外國內(nèi)目前產(chǎn)業(yè)化重點攻關對象集中在燃料電池系統(tǒng)和電堆上，對膜電極的關注相對較少。

膜電極決定了電堆性能、壽命和成本的上限。國產(chǎn)膜電極性能與國際水平接近，但專業(yè)特性上（如鉑載量、啟停、冷啟動、抗反極等）與國際水平還有一定差距。



膜電極是燃料電池電化學反應的基本單元，目前已經(jīng)發(fā)展出兩代成熟的工藝，第一代的膜電極制備工藝主要采用熱壓法，第二代是催化劑直接涂膜技術，提高了催化劑的利用率，提高了氫離子在催化劑層的擴散和運動，從而提高膜電極的性能，是目前的主流應用技術。


圖片來源于網(wǎng)絡

資料顯示，膜電極關鍵零部件包括“質(zhì)子交換膜”、“催化劑”以及“氣體擴散層”，每一個部件都在技術尚未完全突破、原料供應不足等問題上制約著國內(nèi)市場的普及與發(fā)展。

質(zhì)子交換膜：全氟磺酸型膜為目前主流，復合膜是未來發(fā)展方向。全氟磺酸膜：目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜。全氟磺酸型膜是目前燃料電池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供應商集中于日本和歐美國家，其中應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜。

復合膜：未來技術發(fā)展方向。目前，在技術研發(fā)方面，大連化學物理研究所和武漢理工大學都在積極研發(fā)復合膜技術。在產(chǎn)業(yè)化方面，亞洲最大的氟化企業(yè)山東東岳聯(lián)合上海交通大學實現(xiàn)了復合膜的產(chǎn)業(yè)化。其開發(fā)的DF260膜性能出色，具備規(guī)?；a(chǎn)能力，其采用的ePTFE增強復合膜結(jié)構(gòu)，厚度達到15μm，在開路電壓（OCV）情況下耐久性大于600h；膜運行時間達到6000h；在干濕循環(huán)和機械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過20000次。該膜技術已經(jīng)成熟并定型量產(chǎn)，第二代規(guī)劃產(chǎn)能200000㎡。

催化劑：Pt/C是目前主流，超低鉑、無鉑是未來方向。目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由納米級的Pt顆粒(3~5nm)和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構(gòu)成。

燃料電池零部件的成本主要來源于原材料與加工費用，在目前技術水平下，加工成本主導的部件(如質(zhì)子交換膜、氣體擴散層)的成本可通過規(guī)?；a(chǎn)來降低，但材料成本占主導的催化劑難以通過量產(chǎn)來降低成本。因此，減少鉑的使用量才是降低催化劑成本的有效途徑。

目前全球燃料電池催化劑主要生產(chǎn)商為美國的3M、Gore，英國的Johnson Matthery，德國的BASF，日本的Tanaka，比利時的Umicore 等，國內(nèi)大連化物所具備小規(guī)模生產(chǎn)的能力。

氣體擴散層：通過規(guī)模化生產(chǎn)來降成本。氣體擴散層位于流暢和催化層之間，主要作用是為參與反應的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑。因此，擴散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能。

在國內(nèi)，氣體擴散層尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。上海河森公司生產(chǎn)生產(chǎn)的PEMFC專用高性能氣體擴散層，具備1000㎡/月生產(chǎn)能力。目前國內(nèi)開發(fā)的氣體擴散層，其原材料多為進口。國內(nèi)雖有自主開發(fā)的材料，但整體的產(chǎn)品狀態(tài)并不能達到商業(yè)化要求。長遠來看，其國產(chǎn)化的突破與量產(chǎn)，對降低國內(nèi)燃料電池成本和推動商業(yè)化進程具有重要意義。

過去數(shù)十年，MEA技術已取得巨大突破。貴金屬用量已從20世紀80年代的8mg/c㎡下降到如今0.102mg/c㎡，同時，MEA性能和壽命得到了較大程度的提升。目前國際MEA技術研究重點仍然集中在性能、壽命及成本上。國內(nèi)MEA也取得較大進展。中國科學院大連化學物理研究所、武漢理工大學等在國家“863”項目支持下進行了低成本、高性能MEA研究，國內(nèi)MEA技術可實現(xiàn)Pt載量0.2mg/c㎡，功率密度1.4W/c㎡,單電池MEA壽命超過5600h，與國際先進水平相當。


國內(nèi)外膜電極性能對比分析

膜電極作為核心技術，國家長期支持該技術的研發(fā)并制訂了明確的研發(fā)目標。根據(jù)《國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術”等重點專項2019年度項目申報指南》，到2030年底，國家在膜電極領域的技術目標為下圖所示。


國內(nèi)2030年膜電極技術目標

國內(nèi)膜電極企業(yè)代表

新源動力

新源動力研發(fā)的HYMEA膜電極產(chǎn)品，活性面積25-400cm2，功率密度≥1.0W/cm2，耐久性5000-10000h。新源動力擁有自主知識產(chǎn)權的質(zhì)子交換膜燃料電池技術，部分關鍵技術達到國際一流水平。

針對商用車及乘用車使用場景，新源動力研發(fā)的第二代和第三代車用質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，已投入市場使用。目前，第四代低鉑高性能高耐久性膜電極正在進行開發(fā)和驗證。

武漢理工氫電

武漢理工氫電科技有限公司成立于2018年3月，由深圳市雄韜股份與武漢理工大學共同發(fā)起成立，接力一脈相承的武漢理工新能源公司，專注于燃料電池核心零部件——膜電極的產(chǎn)業(yè)化與研發(fā)，目前已完成6000平米潔凈廠房裝修，并建成了自動化程度更高的膜電極生產(chǎn)線，膜電極產(chǎn)能達到2萬平米/年，最終設計產(chǎn)能將達到10萬平米/年。

蘇州擎動科技

蘇州擎動科技是一家氫燃料電池核心組件膜電極制造商，已通過國內(nèi)外多家知名燃料電池廠家及研究院的測試，且和國內(nèi)外多家燃料電池電堆廠家簽署合作協(xié)議，并長期為其提供膜電極產(chǎn)品，

2019年2月，擎動科技自主研發(fā)的國內(nèi)首套“卷對卷直接涂布法”膜電極生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。據(jù)介紹，該條產(chǎn)線可實現(xiàn)年產(chǎn)膜電極100萬片。

鴻基創(chuàng)能

10月26日，鴻基創(chuàng)能100萬片膜電極正式下線。鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司成立于2017年12月，致力于質(zhì)子交換膜氫燃料電池用高性能膜電極的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，解決國內(nèi)在該技術領域的“卡脖子”問題。鴻基創(chuàng)能開發(fā)了CCM陰陽極雙面直接涂布技術、膜電極一體化成型技術、膜電極自動化快速封裝技術，為膜電極大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定堅實基礎。

中科院大連化物所

2021年8月，大連化物所宣布在質(zhì)子交換膜燃料電池低鉑膜電極研究方面取得新進展，設計并制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的低鉑納米纖維電極，該電極顯著提高了燃料電池水管理能力和電極穩(wěn)定性。

該研究首次通過環(huán)境掃描電鏡在線觀察到燃料電池的產(chǎn)物水在納米槽電極和傳統(tǒng)Pt/C電極中的形成和輸運過程，證明了該電極具有與禾本科植物類似的排水機制，驗證了納米槽電極優(yōu)異的水管理能力，并且該研究為膜電極結(jié)構(gòu)設計提供了一條新思路。

阜陽攀業(yè)

阜陽攀業(yè)正在建設全國首臺涂布幅寬570mm膜電極陽極涂布生產(chǎn)線，建成后年產(chǎn)能達6萬平米，二期擴產(chǎn)后產(chǎn)能也將達到36萬平米/年；正在建設中的國內(nèi)首臺高精度自動雙點膠五合一生產(chǎn)線，設計產(chǎn)能達13萬片/年。

長城未勢能源

今年10月，長城旗下未勢能源實現(xiàn)了完全自研全新高性能膜電極規(guī)?；慨a(chǎn)。據(jù)悉，長城創(chuàng)新“梯度技術”，形成了特有的商業(yè)化膜電極技術序列。依托此項創(chuàng)新性技術，長城陸續(xù)攻克了高功率密度、可靠封裝和循環(huán)壽命等關鍵技術瓶頸。


未勢能源自主設計全自動“卷對卷”膜電極生產(chǎn)線，集成在線檢測技術，實現(xiàn)從漿料制備、狹縫涂布、CCM轉(zhuǎn)印、邊框膜封裝、GDL貼合到產(chǎn)品下線，全流程高精度控制，將膜電極各部件的外形尺寸和分布精度均控制在100微米以內(nèi)，電壓偏差≤10mV，保障了產(chǎn)品的一致性和可靠性，且具有完備的反抄襲設計。

該膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電功率、催化劑鉑載量、使用壽命等關鍵性能指標均達到國內(nèi)、國際先進水平，進一步促進膜電極核心技術國產(chǎn)化替代率。該產(chǎn)線全面達產(chǎn)后，可年產(chǎn)膜電極百萬片以上，預計年產(chǎn)值超3億元以上。

參考文獻:許德超,趙子亮,趙洪輝等.國內(nèi)燃料電池電堆技術進展綜述[J].汽車文摘,2020(1):8-13.